JP2000277802A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
半導体装置の製造方法Info
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Abstract
導体装置について、p型およびn型オーミック電極の抵
抗率を下げる。 【解決手段】 サファイア基板1の上にアンドープGa
Nバッファ層2、アンドープGaN層3、p型の不純物
のMgがドープされたpドープGaN層4aを順次結晶
成長させる(図1(a))。次に、pドープGaN層4
aの上にNiとMgとからなる合金膜8およびAu膜6
を順次蒸着してp型側の電極9を形成する(図1
(b))。その後、窒素雰囲気中にて基板の温度を70
0℃まで上げて加熱した後、基板の温度を室温まで戻
す。この基板の温度の上下サイクルを3回行い、pドー
プGaN層4aより水素を追い出してpドープGaN層
4aに含まれるMgを活性化させ、低抵抗のp型GaN
層4に変化させる(図1(c))。
Description
温動作トランジスタ等に用いられるIII−V族窒化物系
化合物よりなる半導体装置の製造方法に関するものであ
る。
x≦1、0≦y≦1、x+y≦1)で表されるIII−V
族窒化物系化合物半導体(以下III−V族窒化物半導体
と記す)は、1.9〜6.2eVにおよぶ広範なバンド
ギャップエネルギーを有し、可視域から紫外域までをカ
バーする発光・受光デバイス用半導体材料として有望で
ある。
ーザや受光素子、ヘテロバイポーラトランジスタ等を作
製する場合、発熱や電力損失を低減するために低抵抗の
p型またはn型III−V族窒化物半導体層とそれに対す
る低抵抗のオーミック電極を形成することが重要であ
る。
製造する方法として、マグネシウムをIII−V族窒化物
半導体に添加し、その後III−V族窒化物半導体をアニ
ールすることが知られている。このp型III−V族窒化
物半導体を含む従来の半導体装置の製造方法を、図7を
用いて説明する。
(以下MOVPEと記す)法により、サファイア基板1
の上にアンドープGaNバッファ層2、アンドープGa
N層3、p型不純物をドープした(以下pドープと記
す)GaN層4aを順次結晶成長させる。ここで、pド
ープGaN層4aを結晶成長する際に、ドーパントとし
てはMgを用い、そのMgの原料としてはシクロペンタ
ジエニルマグネシウム(以下Cp2Mgと記す)を用い
る。以下、サファイア基板1の上にアンドープGaNバ
ッファ層2等の膜が形成されたものを基板という(図7
(a))。
ルし、pドープGaN層4aに含まれる水素を追い出し
てMgを活性化させ、p型GaN層4を作成する(図7
(b))。
よびAu膜6を順次蒸着してp型側の電極(以下p電極
と記す)7を形成する(図7(c))。
7とp型GaN層4との間でオーミック特性を有し、か
つp電極7とp型GaN層4との間のコンタクト抵抗率
が1×10-3Ω・cm2程度であるp電極7を得ること
ができたという報告がなされている。
する方法として、珪素をIII−V族窒化物半導体に添加
することが知られている。このn型III−V族窒化物半
導体を含む従来の半導体装置について、n型側の電極
(以下n電極と記す)とn型III−V族窒化物半導体と
の間のコンタクト抵抗率が5×10-5Ω・cm2程度で
あるn電極が得られたという報告がなされている。
の製造方法に関しては、pドープGaN層4aを形成さ
せ、アニールした後にp電極7を形成するので、アニー
ルの工程でpドープGaN層4a中に含まれる水素を十
分に追い出すことができず、その結果p電極7とp型G
aN層4との間のコンタクト抵抗率を低減させることが
できなかった。
関しては、n型III-V族窒化物半導体中に含まれる水素
を十分に追い出すことができず、その結果n電極とn型
III−V族窒化物半導体との間のコンタクト抵抗率を低
減させることができなかった。
法を用いて半導体レーザ等のデバイスを製造した場合、
しきい値電圧の上昇等デバイスの特性を悪化させてい
た。
III−V族窒化物半導体と、その上に形成されたp電極
またはn電極とを含む半導体装置に関し、p型またはn
型III−V族窒化物半導体と、p電極またはn電極との
間でオーミック特性を有し、コンタクト抵抗率を低減さ
せることができる半導体装置の製造方法を提供するもの
である。
に本発明の半導体装置の製造方法は、AlxGa1-x-yI
nyN(0≦x≦1、0≦y≦1、x+y≦1)よりな
る半導体層の上に電極を形成する工程と、前記電極を形
成した後にアニールする工程とを備え、前記電極は、水
素を吸蔵する性質を有する金属を含むものであり、前記
アニールする工程は、温度を上げる過程と温度を下げる
過程とを繰り返すものである。
て半導体層から水素が追い出され、かつ温度を下げる過
程において半導体層に含まれる水素が電極により吸蔵さ
れるので、半導体層に含まれる水素を効率よく追い出す
ことができる。
かかる構成につき、さらに温度を下げる過程において、
到達温度が2種類以上あり、そのうちの少なくとも1つ
が100℃以上300℃以下であるものである。
℃以上300℃以下にしているので、電極の剥がれを抑
えることができる。
構成につき、水素を吸蔵する性質を有する金属が、T
i、Mg、Ca、Zr、Nb、V、Ni、Fe、Mn、
Co、Cr、Al、Pdまたは希土類元素であるもので
ある。
r、Nb、V、Ni、Fe、Mn、Co、Cr、Al、
Pdまたは希土類元素を用いているので、半導体層に含
まれる水素を効率よく追い出すことができる。
構成につき、水素を吸蔵する性質を有する金属が、Mg
であるものである。
Mgが半導体層に拡散してより低抵抗のp型半導体層を
得ることができる。
構成につき、水素を吸蔵する性質を有する金属が、N
i、PdまたはTaであるものである。
Ni、PdまたはTaを電極に用いているので、電極と
半導体層との間の、価電子帯のバリア高さを低減させる
ことができる。
構成につき、電極が、Ti、Al、Ni、PdまたはT
aよりなる層を含む少なくとも2層の多層膜により構成
されているものである。
の良いTi、Al、Ni、PdまたはTaを含む層を第
1層として用いて多層膜の電極とすることができるの
で、電極の剥がれを抑えることができる。
構成につき、アニールする工程が、水素を含まない雰囲
気中においてアニールするものである。
においてアニールしているので、半導体層より水素をさ
らに効率よく追い出すことができる。
関する実施の形態について、図面を用いて説明する。
態に係る半導体装置の製造方法を図1に示す。
として、x=0、y=0のGaNの場合について以下説
明する。
ノール等で有機洗浄してMOVPE装置内に導入し、サ
ファイア基板1の表面をサーマルクリーニングした後、
トリメチルガリウムおよびアンモニアを原料とし、MO
VPE装置内の圧力を1気圧とし、常圧MOVPE法に
より厚さ500ÅのアンドープGaNバッファ層2、厚
さ1μmのアンドープGaN層3、厚さ1μmでドーパ
ント濃度が5×1018cm-3のpドープGaN層4aを
サファイア基板1の上に順次結晶成長させる。以下、サ
ファイア基板1の上に形成された膜とともに基板と記
す。ここで、結晶成長時の基板の温度は、アンドープG
aNバッファ層2に関しては500℃、アンドープGa
N層3、pドープGaN層4aに関してはともに100
0℃である。また、pドープGaN層4aを結晶成長さ
せる際に、ドーパントとしてはMgを用い、そのMgの
原料としてCp2Mgを用いる(図1(a))。
て蒸着装置内に導入し、基板上にNiとMgとからなる
厚さ1000Åの合金膜8および厚さ1000Åの、抵
抗が低く、表面が安定したAu膜6を順次蒸着してp電
極9を形成する(図1(b))。
れた基板を蒸着装置より取り出してアニール炉内に導入
する。そしてアニール炉内において基板を加熱(アニー
ル)し、pドープGaN層4aを、p型の導電性を有す
る、いわゆるp型GaN層4に変化させて半導体装置を
作成する(図1(c))。この基板を加熱する工程につ
いては以下の実施例1、2において説明する。なお、基
板を加熱する方法としては、ヒータによるアニールを用
いてもよいし、ランプアニール、高周波加熱等を用いて
もよい。
について、加熱温度の時間的変化を図2の実線に示す。
以下、図2と同様の、加熱温度の時間的変化に関する図
において、n回目(nは自然数)の昇温過程、高温維持
過程、降温過程および低温維持過程をそれぞれUn、H
n、DnおよびLnと表す。また、以下、昇温過程に始
まり、高温維持過程および降温過程を経て低温維持過程
に至る一連の過程を熱サイクルという。
ル炉を1気圧の窒素で満たし、窒素雰囲気下にて10分
かけて基板の温度を700℃まで上げ(U1)、そのま
ま20分間加熱する(H1)。その後、基板の温度を5
分かけて室温まで戻し(D1)、5分間放置する(L
1)。この熱サイクルを3回繰り返し、加熱工程を終了
させる。
持過程においてpドープGaN層4aから水素が追い出
され、かつ降温過程および低温維持過程においてpドー
プGaN層4aに含まれる水素が電極を形成するNiお
よびMgに吸蔵されるので、pドープGaN層4a中に
含まれる水素を効率よく追い出すことができ、pドープ
GaN層4a中に含まれるMgをより多く活性化させる
ことができる。その結果、pドープGaN層4aを従来
よりも低い抵抗率を有するp型GaN層4に変化させる
ことができ、p型GaN層4とp電極9との間でオーミ
ック接触を実現でき、p型GaN層4とp電極9との間
のコンタクト抵抗率を下げることができる。
で、Mgが半導体層に拡散してより低抵抗のp型GaN
層4を得ることができ、p型GaN層4とp電極9との
間のコンタクト抵抗率を下げることができる。
Niを用いているので、Niとp型GaN層4との間
の、価電子帯のバリア高さを低減させることができ、p
ドープGaN層4とp電極9との間のコンタクト抵抗率
を下げることができる。
においては、p型GaN層4のキャリア濃度が5×10
18cm-3であってMg活性化率がほぼ100%であり、
p型GaN層4とp電極9との間でコンタクト抵抗率が
1×10-5Ω・cm2であるオーミック接触が実現でき
た。これらの値は従来の半導体装置の製造方法に比べて
よい値であった。
について、加熱温度の時間的変化を図3の実線に示す。
ル炉を1気圧の窒素で満たし、窒素雰囲気下にて10分
かけて基板の温度を700℃まで上げ(U1)、そのま
ま20分間加熱する(H1)。その後、基板の温度を5
分かけて250℃まで戻し(D1)、5分間放置する
(L1)。この熱サイクルを3回繰り返し、加熱工程を
終了させる。
に加え、降温過程において基板の温度を250℃まで下
げ、低温維持過程において基板の温度を250℃に維持
しているので、p電極9の剥がれを抑えることができ、
結果として半導体装置の製造歩留まりを向上させること
ができる。
においては、p型GaN層4のキャリア濃度が5×10
18cm-3であってMg活性化率がほぼ100%であり、
p型GaN層4とp電極9との間のコンタクト抵抗率が
1×10-5Ω・cm2であるオーミック接触が得られ
た。これらの値は従来の半導体装置の製造方法に比べて
よい値であった。また、この方法により製造された半導
体装置の表面を光学顕微鏡により観察したところ、p電
極9の、p型GaN層4からの剥がれは特に発見され
ず、p電極9の剥がれが抑えられていることがわかっ
た。
降温過程において基板の温度を250℃に下げ、低温維
持過程において基板の温度を250℃に維持することに
より高温から室温まで温度を下げたときに生じるp電極
のグレイン化を抑えることができたためと考えられる。
る基板の温度を100℃以上300℃以下にすることに
よりp電極9の剥がれを抑えることができる。
態に係る半導体装置の製造方法を図4に示す。
されたサファイア基板1の上にMOVPE装置を用い、
サファイア基板1の表面をサーマルクリーニングした
後、トリメチルガリウムおよびアンモニアを原料とし、
常圧MOVPE法によりサファイア基板1の上に厚さ5
00ÅのアンドープGaNバッファ層2、厚さ1μmの
アンドープGaN層3、厚さ1μmでドーパント濃度が
5×1018cm-3のn型GaN層10をサファイア基板
1の上に順次結晶成長させる。以下、サファイア基板1
の上に形成された膜とともに基板と記す。ここで、結晶
成長時の基板1の温度は、アンドープGaNバッファ層
2に関しては500℃、アンドープGaN層3、n型G
aN層10に関してはともに1000℃である。また、
n型GaN層10を結晶成長させる際に、ドーパントと
してはSiを用い、そのSiの原料としてはシランを用
いる(図4(a))。
出して蒸着装置内に導入し、基板上にTiとAlとから
なる厚さ1000Åの合金膜11および厚さ1000Å
のAu膜12を順次蒸着してn電極13を形成する。
そして第1の実施の形態で記載した実施例1と実施例2
と同様の熱サイクルを3回繰り返す(図4(b))。
持過程においてn型GaN層10から水素が追い出さ
れ、かつ降温過程および低温維持過程においてn型Ga
N層10に含まれる水素が電極を形成するTiおよびA
lに吸蔵されるので、n型GaN層10中に含まれる水
素を効率よく追い出すことができる。その結果、n型G
aN層10とn電極13との間のコンタクト抵抗率を下
げることができる。
製造方法においては、n型GaN層10とn電極13と
の間のコンタクト抵抗率が1×10-6Ω・cm2である
オーミック接触が得られた。この値は従来の半導体装置
の製造方法の場合に比べてよい値であった。
態に係る半導体装置の製造方法を図5に示す。まずサフ
ァイア基板1をアセトンやメタノール等で有機洗浄して
MOVPE装置内に導入し、サファイア基板1の表面を
サーマルクリーニングした後、トリメチルガリウム、ト
リメチルアルミニウム、トリメチルインジウム、シラ
ン、Cp2Mgおよびアンモニアを原料とし、常圧MO
VPE法によりサファイア基板1の上に厚さ500Åの
アンドープGaNバッファ層2、厚さ2μmのn型Ga
Nよりなるn型コンタクト層14、厚さ0.3μmのn
型Al0.1Ga0.9Nよりなるn型クラッド層15、厚さ
70ÅのアンドープIn0.02Ga0.98Nと厚さ30Åの
アンドープIn0.2Ga0.8Nとの2層を交互に3回繰り
返して形成した発光層16、厚さ0.3μmのp型Al
0.1Ga0.9NよりなるMgドーパントのp型クラッド層
17、厚さ0.5μmのp型GaNよりなるMgドーパ
ントのp型コンタクト層18を順次形成する。ここで、
結晶成長温度は、アンドープGaNバッファ層2に関し
ては500℃、n型コンタクト層14、n型クラッド層
15、p型クラッド層17およびp型コンタクト層18
に関しては1000℃、発光層16に関しては800℃
である(図5(a))。
てドライエッチング装置内に導入し、選択マスクを用い
てn型コンタクト層14までドライエッチングし、一部
のp型コンタクト層14を露出させる。さらに別の選択
マスクによりドライエッチングしてp型クラッド層17
およびp型コンタクト層18をリッジ状に形成する。そ
して基板をドライエッチング装置より取り出す。
上にTiとAlとからなる厚さ1000Åの合金膜11
および厚さ1000ÅのAu膜12を順次蒸着してn電
極13を形成し、p型コンタクト層14の上にNiとM
gとからなる厚さ1000Åの合金膜8および厚さ10
00ÅのAu膜6を順次蒸着してp電極9を形成する
(図5(b))。
そしてアニール炉を1気圧の窒素で満たし、窒素雰囲気
下にて10分かけて基板の温度を700℃まで上げ、そ
のまま20分間加熱する。その後、基板の温度を5分か
けて室温まで戻し、5分間放置する。この熱サイクルを
3回繰り返し、n型コンタクト層14、n型クラッド層
15、p型クラッド層17およびp型コンタクト層18
より水素を追い出し、p型クラッド層17およびp型コ
ンタクト層18に含まれるMgを活性化させる(図5
(c))。
し、半導体装置すなわち半導体レーザを作成する。
流−電圧特性と、従来の半導体レーザの電流−電圧特性
とを比較した結果を図6に示す。図6において、実線で
示す曲線Aが第3の実施の形態に係る半導体レーザの電
流−電圧特性を表すグラフであり、破線で示す曲線Bが
従来の半導体レーザの電流−電圧特性を表すグラフであ
る。第3の実施の形態に係る半導体レーザのしきい値電
圧は4.0Vであり、従来の半導体レーザのしきい値電
圧よりも0.5V低かった。また、電流−電圧特性曲線
の傾きについては、第3の実施の形態に係る半導体レー
ザのほうが従来の半導体レーザよりも急であった。すな
わち、第3の実施の形態に係る半導体レーザの素子抵抗
のほうが従来の半導体レーザの素子抵抗よりも小さいこ
とがわかった。
うが従来の半導体レーザよりもしきい値電圧および素子
抵抗が小さいのは、基板をアニールする過程において第
1および第2の実施の形態と同様、n型コンタクト層1
4、n型クラッド層15、p型クラッド層17およびp
型コンタクト層18に含まれる水素が、アニール時の7
00℃という温度により追い出され、かつアニール後の
室温に戻す過程で水素がTi、Al、NiおよびMgに
吸蔵され、その結果、n型コンタクト層14とn電極1
3との間およびp型コンタクト層17とp電極9との間
のコンタクト抵抗率を下げることができるためである。
また、p型クラッド層17およびp型コンタクト層18
中に含まれるMgをより多く活性化させて従来のものよ
り低い抵抗率を有するp型クラッド層17およびp型コ
ンタクト層18に変化させることができるためである。
形態において、以下に示す置き換えを行っても同様の効
果が得られる。
い。
はNiと同様に仕事関数が大きく、かつ、p型GaN層
4およびp型コンタクト層18に対して密着性のよい金
属である。
Al、Ni、PdまたはTaよりなる層を含む少なくと
も2層の多層膜により構成されていてもよい。
コンタクト層18およびn型コンタクト層14に対して
密着性の良いTi、Al、NiまたはPdを第1層とし
て用いて多層膜の電極とすることができるので、p電極
9またはn電極13の剥がれを抑えることができる。
水素を吸蔵する効果のある金属元素、例えばTi、M
g、Ca、Zr、Nb、V、Ni、Fe、Mn、Co、
Cr、Al、Pdおよび希土類元素のうちの少なくとも
1つを含む合金、単層膜または多層膜を用いてもよい。
定したPt層を用いてもよい。
SiC基板またはスピネル基板を用いてもよい。
雰囲気中においてアニールしてもよい。
においてアニールしているので、pドープGaN層4a
またはp型コンタクト層18より水素をさらに効率よく
追い出すことができてより低抵抗のp型GaN層4また
はp型コンタクト層18を得ることができる。
層を結晶成長させる方法として、常圧MOVPE法以外
に減圧MOVPE法やハイドライド気相成長法等を用い
てもよい。
て、蒸着以外にスパッタ法等を用いてもよい。
ば、III−V族窒化物よりなる半導体層中に含まれる水
素を効率よく追い出すことができる。その結果、低い抵
抗率を有するp型またはn型の半導体層を得ることがで
き、半導体層と電極との間のコンタクト抵抗率を下げる
ことができる。
製造方法を示す工程断面図
工程における、加熱温度の時間的変化に対する図
工程における、加熱温度の時間的変化に対する図
製造方法を示す工程断面図
製造方法を示す工程断面図
電流−電圧特性と、従来の半導体レーザの電流−電圧特
性とを比較した図
Claims (7)
- 【請求項1】 AlxGa1-x-yInyN(0≦x≦1、
0≦y≦1、x+y≦1)よりなる半導体層の上に電極
を形成する工程と、前記電極を形成した後にアニールす
る工程とを備え、前記電極は、水素を吸蔵する性質を有
する金属を含むものであり、前記アニールする工程は、
温度を上げる過程と温度を下げる過程とを繰り返すこと
を特徴とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項2】 前記温度を下げる過程において、到達温
度が2種類以上あり、そのうちの少なくとも1つが10
0℃以上300℃以下であることを特徴とする請求項1
記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項3】 前記水素を吸蔵する性質を有する金属
は、Ti、Mg、Ca、Zr、Nb、V、Ni、Fe、
Mn、Co、Cr、Al、Pdまたは希土類元素である
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方
法。 - 【請求項4】 前記水素を吸蔵する性質を有する金属
は、Mgであることを特徴とする請求項1記載の半導体
装置の製造方法。 - 【請求項5】 前記水素を吸蔵する性質を有する金属
は、Ti、Al、Ni、PdまたはTaであることを特
徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項6】 前記電極は、Ti、Al、Ni、Pdま
たはTaよりなる層を含む少なくとも2層の多層膜によ
り構成されていることを特徴とする請求項1記載の半導
体装置の製造方法。 - 【請求項7】 前記アニールする工程は、水素を含まな
い雰囲気中においてアニールするものであることを特徴
とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
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